Начав изучать физические поля Земли, человек не мог не изучить и гравитационное поле.

Земля неоднородна. Встречаются участки с более плотными породами, например горные хребты, и с менее плотными, например дно океанских равнин. Планета Земля представляет собой не идеально круглое тело. Из фигур, известных вам из уроков геометрии, к ней наиболее близок эллипсоид, но и он неточно отражает действительную форму Земли. Она имеет более сложную форму, называемую геоидом. Сила тяжести в разных местах различна. Ведь в одном районе фактическая поверхность Земли расположена выше эллипсоида, а в других – ниже (рис. 14.1 [42]).

Рис. 14.1. Соотношение эллипсоида и геоида.

а — большая полуось эллипсоида; b — малая полуось эллипсоида; РР₁ — ось вращения; ЕЕ₁ — плоскость экватора.

В толще земной коры могут находиться массы тяжелых пород, соответственно здесь сила тяжести будет больше.

Изучают гравитационное поле и на акваториях Мирового океана. Полученную информацию используют для поиска полезных ископаемых, обеспечения запуска космических аппаратов и в военном деле – для обеспечения пуска ракет с боевых кораблей.

Гравитационное поле Земли описывается полем силы тяжести. Сила тяжести определяется результатом взаимодействия двух разнонаправленных сил:

– силы притяжения Земли;

– центробежной силы, вызванной вращением Земли.

Сила тяжести уменьшается от полюсов к экватору, что обусловлено вращением и сжатием Земли у полюсов.

Изменения гравитационного поля отображаются на гравитационных картах. Единицей измерения является гол (1Гал – = 1 см/с²) – величина, названная в честь итальянского ученого Галилео Галилея. В практике выполнения гидрографических работ используется более мелкая единица измерения – миллигал (мГал); 1 мГал = 10^-3 Гал.

На акваториях морей и океанов гравиметрическая съемка производится специальными приборами – морскими гравиметрами (рис. 14.2 [26]), установленными на исследовательских судах.

Рис. 14.2. Общий вид морского гравиметра.

Принцип действия морского гравиметра состоит в наблюдении за положением равновесия тела, находящегося под действием силы тяжести с одной стороны и эталонной силы пружин, поддерживающих тело, с другой. Чем больше тело отклоняется от своего положения, тем сильнее изменение силы тяжести.

В море во время выполнения работ по съемке гравитационного поля силу тяжести определяют по разности значений силы тяжести, измеренной на судне, и силой тяжести на опорных пунктах. Опорные пункты – это расположенные на суше точки с заблаговременно определенными на них значениями силы тяжести. Все опорные пункты связаны между собой в единую сеть. Мировым гравиметрическим пунктом является пункт, расположенный в городе Потсдам (Германия), где в начале XX в. было определено абсолютное значение силы тяжести, равное 981 274 мГал.

Именно поэтому, решая на уроках физики задачи по расчету времени падения на землю различных предметов, вы используете округленное значение ускорения силы тяжести, равное 9,8 м/с².

Измерения на опорных пунктах ведутся непрерывно (рис. 14.3 [2]).

Рис. 14.3. Измерение параметров гравитационного поля на опорном пункте.

Давайте рассмотрим, как измерение параметров гравитационного поля происходит на акваториях Мирового океана и как получают карту гравитационного поля.

Гравиметр, установленный на борту исследовательского судна, определяет изменение силы тяжести при следовании судна по галсу. Для повышения точности измерений используется несколько гравиметров, работающих одновременно, а затем вычисляется среднее значение параметров (рис. 14.4 [2]).

Рис. 14.4. Измерение параметров гравитационного поля на галсе исследовательского судна, проведенное тремя гравиметрами, и их среднее значение.

По окончании работ результаты, полученные на разных галсах, обобщаются. Некачественные данные отбраковываются. Проводится сравнение материалов, полученных в море, и материалов, полученных на опорном пункте. Гравиметр фиксирует отклонение силы тяжести от этого значения. Изолинии, соединяющие точки с равным значением отклонения силы тяжести от среднего значения, называются изоаномалами.

Используя метод изолиний и метод цветового отображения различных значений, строится итоговая карта аномалий гравитационного поля акватории (рис. 14.5 [26]).

Рис. 14.5. Фрагмент карты аномалий гравитационного поля акватории.

Объединив карты гравитационного поля различных акваторий и сухопутные гравитационные карты, можно построить карту аномалий гравитационного поля Земли (рис. 14.6 [26]).

Рис. 14.6. Карта аномалий гравитационного поля Земли.

Если сравнить ее с физической картой Земли, то сразу становится видно, что значения поля силы тяжести больше там, где расположены горные хребты, как надводные, так и подводные. Это подтверждает вывод о том, что сила тяжести зависит от плотности и мощности пород, составляющих земную кору.